Um Dispositivo de Proteção contra Surtos (DPS) é um dispositivo usado para proteger equipamentos eletrônicos contra surtos de energia ou tensões transitórias. Eles são conectados em paralelo com o circuito de energia da carga que precisa de proteção e também podem ser usados em redes de alimentação em todos os níveis. Este artigo irá aprofundar o princípio de funcionamento dos dispositivos de proteção contra surtos e seu papel importante em sistemas elétricos.
O que são surtos?
Surtos são sobretensões transitórias que podem atingir dezenas de quilovolts com durações da ordem de microssegundos. Apesar de sua curta duração, o alto conteúdo de energia pode causar sérios problemas aos equipamentos conectados à linha, como envelhecimento prematuro de componentes eletrônicos, falha de equipamentos ou interrupções no serviço e perdas financeiras.
Origem dos surtos
Sabe-se que os raios são a fonte mais significativa de surtos - raios foram registrados com um milhão a um bilhão de volts e entre 10.000 a 200.000 amperes. No entanto, os raios representam apenas uma parte de todos os eventos transitórios em uma instalação. Como os transientes podem se originar de fontes externas (como raios) e fontes internas, as instalações devem ter um sistema de proteção contra raios e proteção contra surtos instalados.
Raios: A fonte mais destrutiva de surtos. Com base na norma IEC 61643-12, a energia dos raios pode atingir até 200 kA. No entanto, para referência, as estimativas indicam que 65% são inferiores a 20kA e 85% são inferiores a 35kA.
Indução: As fontes incluem raios de nuvem para nuvem ou impactos de raios próximos, onde o fluxo de corrente induz uma sobretensão nas linhas de alimentação ou outros condutores metálicos.
Não há como realmente saber quando, onde, o tamanho ou a duração/forma de onda de um surto. Portanto, dentro das Normas, algumas suposições foram feitas e duas formas de onda principais foram escolhidas para simular diferentes eventos de surto:
- Condução
Condução ou 10/350μs simula energia de impacto direto de raios.
- Indução
Indução ou 8/20μs simula energia de impacto indireto de raios.
Fontes internas:
- Eles vêm da comutação da rede de utilidade, desconexão de motores ou outras cargas indutivas. A energia dessas fontes também é analisada com a forma de onda 8/20.
- Sobretensões transitórias não ocorrem apenas em linhas de distribuição de energia e também são comuns em qualquer linha formada por condutores metálicos, como telefonia, comunicações, medição e dados.
O Papel dos Dispositivos de Proteção contra Surtos
Os dispositivos de proteção contra surtos controlam as tensões transitórias desviando ou limitando as correntes de surto, protegendo equipamentos eletrônicos sensíveis conectados a eles, como computadores, televisores, máquinas de lavar e circuitos de segurança (como sistemas de detecção de incêndio e iluminação de emergência). Esses dispositivos contêm circuitos eletrônicos sensíveis que são propensos a danos causados por sobretensões transitórias; portanto, os dispositivos de proteção contra surtos desempenham um papel crucial na proteção de sistemas de instalação elétrica.
Sem um DPS adequado, eventos transitórios podem danificar equipamentos eletrônicos e levar a tempo de inatividade dispendioso. Portanto, a importância dos dispositivos de proteção contra surtos na proteção de equipamentos elétricos não pode ser exagerada.
Como funciona um DPS?
Existe pelo menos um componente não linear do DPS, que, sob diferentes condições, faz a transição entre um estado de alta e baixa impedância. Em tensões de operação normais, os DPSs estão em um estado de alta impedância e não afetam o sistema. Quando ocorre uma tensão transitória no circuito, o DPS passa para um estado de condução (ou baixa impedância) e desvia a energia e a corrente transitórias de volta para sua fonte ou terra. Isso limita ou fixa a amplitude da tensão a um nível mais seguro. Depois que o transiente é desviado, o DPS redefine automaticamente para seu estado de alta impedância.
O princípio de funcionamento do protetor contra surtos é o seguinte:
- Operação Normal
Na ausência de um surto, o dispositivo de proteção contra surtos não tem efeito sobre o sistema em que está instalado. Ele atua como um circuito aberto, mantendo
isolamento entre condutores ativos e terra.
- Durante um Surtos
Quando ocorre um surto de tensão, o dispositivo de proteção contra surtos reduzirá sua impedância em nanossegundos e desviará a corrente de surto. Neste
ponto, o DPS se comporta como um circuito fechado, curto-circuitando a sobretensão e limitando-a a valores aceitáveis para o equipamento eletricamente conectado
a jusante.
- Pós-Surtos
Uma vez que o surto de pulso cessa, o dispositivo de proteção contra surtos restaurará sua impedância original e retornará ao estado de circuito aberto, continuando a
monitorar as condições de tensão no sistema elétrico.
3P ou 4P? Quando o polo N-PE é necessário?
Os Dispositivos de Proteção contra Surtos (DPS) são instalados em paralelo a montante do equipamento elétrico em uma posição tal que, durante qualquer evento de tensão excessiva, o DPS atuará como um caminho de baixa impedância para a terra. Isso canaliza a energia de alta tensão para longe do equipamento a jusante antes que sua classificação de resistência à tensão seja excedida, evitando assim danos.
Uma pergunta comum sobre DPSs é a distinção entre a aplicação de dispositivos de 3 polos e 4 polos. No caso de sistemas de fiação TN-C-S, o condutor neutro é conectado diretamente à terra (link MEN). Se um DPS for instalado a menos de 10 metros deste link MEN, apenas um dispositivo de 3 polos é necessário. O polo N-PE adicional fornecido por dispositivos de 4 polos é tornado redundante nesta situação, pois já existe um caminho para a terra através do neutro via link MEN.
No entanto, se um DPS for instalado a mais de 10 metros de um link MEN, um DPS de 4 polos é necessário. À medida que a impedância para a terra aumenta com o comprimento do cabo, uma energia de surto agora tem o potencial de entrar na rede após o link MEN e danificar o equipamento a jusante.
Classificação de protetores
Os dispositivos de proteção são classificados em tipos de acordo com a capacidade de descarga.
Tipo 1:
■ Testado com uma forma de onda de 10/350 μs (teste Classe I), que simula a corrente produzida por uma descarga direta de raios.
■ Capacidade de descarregar correntes muito altas para a terra, fornecendo um alto nível de proteção de tensão Up.
■ Deve ser acompanhado por protetores Tipo 2 a jusante. Projetado para uso em painéis de alimentação de entrada onde o risco de queda de raios
é alto, por exemplo, em edifícios com um sistema de proteção externo.
Tipo 2:
■ Testado com uma forma de onda de 8/20 μs (teste Classe II), que simula a corrente produzida no caso de uma comutação ou queda de raios na
linha de distribuição ou suas proximidades.
■ Capacidade de descarregar altas correntes para a terra, fornecendo um nível de proteção de tensão Up médio. Projetado para uso em painéis de distribuição localizados
a jusante de protetores Tipo 1 ou em painéis de alimentação de entrada em áreas com baixa exposição a raios.
Tipo 3:
■ Testado com uma forma de onda combinada de 1,2/50 μs - 8/20 μs (teste Classe III), que simula a corrente e a tensão que podem atingir o equipamento
a ser protegido.
■ Capacidade de descarregar correntes médias para a terra, fornecendo um baixo nível de proteção de tensão Up. Sempre instalado a jusante de um Tipo 2
proteção projetada para proteger equipamentos sensíveis ou equipamentos localizados a mais de 20m a jusante do dispositivo Tipo 2.
Recursos do DPS com base na norma IEC 61643
Parâmetros do protetor:
- Up Nível de proteção: Tensão residual máxima entre os terminais do dispositivo de proteção durante a aplicação de uma corrente de pico.
- In Corrente nominal: Corrente de pico na forma de onda de 8/20 μs que o dispositivo de proteção pode suportar 20 vezes sem atingir o fim da vida útil
- Imax Corrente máxima de descarga: Corrente de pico com forma de onda de 8/20 μs que o dispositivo de proteção pode suportar.
- Uc Tensão máxima de operação contínua: Tensão efetiva máxima que pode ser aplicada permanentemente aos terminais da proteção
dispositivo.
- Iimp Corrente de impulso: Corrente de pico com forma de onda de 10/350 μs que o dispositivo de proteção pode suportar sem atingir o fim da vida útil.
Onde começar o projeto de proteção?
Como a origem da instalação, o quadro de distribuição principal é o lugar para iniciar o projeto de DPS na rede.
Como iniciar o projeto de proteção?
Como afirmado anteriormente, o projeto de proteção DPS não depende das classificações de falha fornecidas pelo transformador, ele só depende do nível de exposição em frente ao surto. Então, qual DPS devemos instalar no quadro de distribuição principal?
Veja o diagrama acima da norma IEC 63205-1, que exibe a dispersão do raio mais alto considerado: 200kA @ 10/350μs.
No pior cenário, 50% dessa energia é conduzida para a terra, deixando 100kA potenciais em toda a rede de 3 fases e neutro.
Aqui, um DPS Tipo 1 de 25kA @ 10/350μs (Iimp) é altamente recomendado para casos em que um raio atinge ou perto da conexão de terra do edifício - em particular quando um edifício tem um para-raios.
No “Cenário Normal”, assume-se que qualquer descarga direta de raios na rede estará a uma distância tão grande da instalação que outros 50% da energia são dispersos para a terra através de outros condutores antes de entrar em seu ponto de conexão. Nesse cenário, um dispositivo com um Tipo 1 de 12,5kA @ 10/350μs (Iimp) é recomendado. Além disso, com base na norma IEC 61643-12, 12,5 kA é a classificação mínima de kA quando um Tipo 1 é necessário.
Se o nível de exposição da instalação for inferior aos cenários descritos acima, o DPS Tipo 2 (Imax) pode ser considerado juntamente com o risco e o custo do equipamento e o tempo de inatividade.
Preciso instalar um terceiro estágio de dispositivos de proteção contra surtos?
Um terceiro estágio de proteção contra surtos instalado na carga final pode ser considerado dependendo de quais cargas ele, quão crítico, caro, custo de tempo de inatividade e sensível ele é. Se o custo do equipamento e/ou tempo de inatividade for alto, a instalação de um dispositivo Tipo 3 (1,5/50μs) de terceiro estágio reduzirá ainda mais o risco de qualquer última energia de surto chegar ao seu equipamento.
Exemplos de aplicações que devem incluir um 3º estágio de proteção contra surtos são:
■ Hospitais
■ Data Centers
■ Aeroportos
■ Bancos e Seguros
■ Transporte
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